RU2652084C1 - Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652084C1 RU2652084C1 RU2017119832A RU2017119832A RU2652084C1 RU 2652084 C1 RU2652084 C1 RU 2652084C1 RU 2017119832 A RU2017119832 A RU 2017119832A RU 2017119832 A RU2017119832 A RU 2017119832A RU 2652084 C1 RU2652084 C1 RU 2652084C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tritium
- waste
- crystalline hydrate
- radioactive
- crystalline
- Prior art date
Links
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 title claims abstract description 65
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 64
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000010857 liquid radioactive waste Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 11
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000036571 hydration Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 15
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 8
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000011109 contamination Methods 0.000 abstract description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract 1
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 21
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 15
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 14
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 13
- CPSYWNLKRDURMG-UHFFFAOYSA-L hydron;manganese(2+);phosphate Chemical compound [Mn+2].OP([O-])([O-])=O CPSYWNLKRDURMG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 9
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 8
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 8
- 239000001488 sodium phosphate Substances 0.000 description 8
- 229910000162 sodium phosphate Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 210000004907 gland Anatomy 0.000 description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 5
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N Heavy water Chemical compound [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 4
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 4
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 description 4
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 description 4
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 101100399296 Mus musculus Lime1 gene Proteins 0.000 description 3
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910000358 iron sulfate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L Magnesium chloride Chemical compound [Mg+2].[Cl-].[Cl-] TWRXJAOTZQYOKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000004264 Petrolatum Substances 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-PWCQTSIFSA-N Tritiated water Chemical compound [3H]O[3H] XLYOFNOQVPJJNP-PWCQTSIFSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229940066842 petrolatum Drugs 0.000 description 2
- 235000019271 petrolatum Nutrition 0.000 description 2
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- YNIRKEZIDLCCMC-UHFFFAOYSA-K trisodium;phosphate;hydrate Chemical compound [OH-].[Na+].[Na+].[Na+].OP([O-])([O-])=O YNIRKEZIDLCCMC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001573233 Lineodes Species 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N Protium Chemical compound [1H] YZCKVEUIGOORGS-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 241000720974 Protium Species 0.000 description 1
- 208000019155 Radiation injury Diseases 0.000 description 1
- 230000037374 absorbed through the skin Effects 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005255 beta decay Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 229910001629 magnesium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000012764 mineral filler Substances 0.000 description 1
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 1
- 238000003608 radiolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000336 radiotoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000001690 radiotoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000004078 waterproofing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к области переработки жидких радиоактивных отходов. Способ иммобилизации загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов заключается в их отверждении в солевой кристаллической матрице, которая затем иммобилизуется в прочной минеральной матрице. Отверждение отходов осуществляют с помощью гидратации слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата путем засыпания предварительно обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата в емкость с отходами и перемешивания для образования новых кристаллогидратов. Пространство до верхней герметичной крышки емкости заполняют прочной минеральной композицией. Имеется также устройство для иммобилизации загрязненных солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов. Группа изобретений позволяет обеспечить минимизацию радиоактивного загрязнения материалов и оборудования. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.
Description
Группа изобретений относится к области переработки радиоактивных отходов, конкретно, к иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов. Способ предназначен для применения в емкостях, используемых для хранения жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой.
Из уровня техники известна установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития по патенту РФ на полезную модель № 126185, содержащая емкость для исходного раствора, соединенную с ректификационной колонной, оборудованной конденсатором паров и кубом-испарителем, накопительную емкость для обогащенной тритием воды, колонну холодного изотопного химического обмена, колонну горячего изотопного химического обмена, магистраль для циркуляции водорода по колоннам двухтемпературного изотопного химического обмена, магистраль для подачи воды из колонны горячего изотопного химического обмена в голову процесса, дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена, вход которой соединяется магистралью с выходом колонны холодного изотопного химического обмена, электролизер и контейнер для сбора водорода, обогащенного тритием, на выходе из верхней части дополнительной колонны холодного изотопного химического обмена установлена каталитическая горелка для сжигания водорода, сообщающаяся магистралью для возвращения образовавшейся воды для доочистки в колонну горячего изотопного химического обмена. Недостатками установки является её сложность и малая производительность.
Известен компаунд для иммобилизации жидких тритийсодержащих радиоактивных отходов по авторскому свидетельству СССР № 1447173, который, помимо отходов, содержит известь в качестве минерального связующего и петролатум в качестве гидроизолирующего компонента и дополнительного связующего. Содержание воды в компаунде - 9,4 -12,1%, извести- 37,9- 40,6%, петролатум - остальное. Недостатком компаунда для иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов низкий уровень энергии связи извести с содержащей тритий водой, что допускает выход тритиевой воды в окружающую среду. Недостатками этого технического решения являются также низкая степень наполнения компаунда содержащей тритий водой – всего 9,4 -12,1%, и невысокая прочность.
Известен способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов по патенту РФ № 2214011, который включает их концентрирование и отверждение с выдерживанием смеси до формирования прочного твердого монолитного блока. Отверждение осуществляют путем смешивания отходов с раствором хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см3, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. Преимущества изобретения заключаются в использовании недорогих природных материалов, высокой степени наполнения компаунда радиоактивными отходами и низкой выщелачиваемости радионуклидов. Недостатком способа применительно к иммобилизации жидких тритийсодержащих радиоактивных отходов является низкий уровень энергии связи молекул тритиевой воды с молекулами отвердителя, поскольку способ направлен на иммобилизацию солевых и органических отходов, растворенных в воде, а не на фиксирование самих молекул воды. Поэтому необходим способ, позволяющий надёжно закрепить молекулы воды в молекулярной структуре прочного твердого монолитного блока.
Ближайшим аналогом заявленной группы изобретений является способ иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов по патенту РФ № 2592078, который включает их отверждение в устойчивой кристаллической матрице, получаемой путем обезвоживания кристаллогидрата соли металла, удаления кристаллизационной воды, добавления к безводному солевому основанию кристаллогидрата жидких, содержащих тритий, отходов в количестве по жидкости на 5-7% больше количества удаленной воды, и перемешивания до образования новых кристаллогидратов соли металла. В качестве кристаллогидрата соли металла в этом способе предлагается использовать железный, медный или цинковый купоросы. Недостатком способа является достаточно высокая растворимость железного, медного и цинкового купоросов, что приводит к неустойчивости получаемых компаундов при погружении в воду. В 100 г воды растворяется 26,6 г безводного FeSO4 при 20°C и 54,4 г при 56 °C. Растворимость в воде цинкового купороса(%): 29,4 (0°C), 37,7 (99°C). При 15°C в 1 л воды растворяется 302 г медного купороса, а при 70°С – 716 г (см. Большую энциклопедию нефти и газа). Вторым и очень существенным недостатком способа является высокая степень радиоактивного загрязнения оборудования и материалов, возникающая при перемешивании жидких содержащих тритий радиоактивных отходов с дегидратированным кристаллогидратом соли металла в реакторах, бочках или баках с использованием химических мешалок или миксеров. В этом случае радиоактивному загрязнению подвергаются как сами ёмкости, так и мешалки или миксеры. Ещё одним недостатком прототипа является невысокая степень заполнения обезвоженных кристаллогидратов тритиевой водой.
Задачей заявляемых способа и устройства является устранение недостатков ближайшего аналога. Предложенный способ предназначен для применения непосредственно в емкостях, где уже хранятся загрязненные радиоактивными солями и органикой жидкие радиоактивные отходы, содержащие тритий.
Техническими результатами заявленной группы изобретений являются минимизация радиоактивного загрязнения материалов и оборудования, минимизация радиационных рисков для персонала, повышение экологической безопасности при длительном хранении жидких содержащих тритий радиоактивных отходов при высокой степени заполнения обезвоженных кристаллогидратов тритиевой водой.
Указанные технические результаты достигаются при осуществлении заявленного способа и устройства.
Способ иммобилизации находящихся в емкостях загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов заключается в их отверждении в солевой кристаллической матрице, которая затем иммобилизуется в прочной минеральной матрице. Отверждение отходов осуществляют с помощью гидратации слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата путем засыпания предварительно обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата в емкость с отходами и перемешивания для образования новых кристаллогидратов. Количество засыпаемого обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата 
выбирают из расчета устойчивого состояния при обводнении
где
18 – молярная масса молекулы воды;
N – количество молекул воды, устойчиво удерживаемое одной молекулой соли кристаллогидрата. После кристаллизации и слеживания кристаллогидрата (под слеживанием понимается закрытие пор в порошке кристаллогидрата и образование соляного камня) на его поверхность выдавливаются (выделяются) не связанные органические соединения, которые иммобилизуются тем, что пространство до верхней герметичной крышки емкости заполняют прочной минеральной композицией, например, на основе магнезиального вяжущего, таким образом образуется прочная минеральная матрица.
Заявленный способ осуществляется в устройстве для иммобилизации загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов. Устройство содержит емкость, верхнюю герметичную крышку, шток с перемешивающими лопастями, привод и электродвигатель. Привод встроен в верхнюю герметичную крышку емкости через сальник. Электродвигатель выполнен съемным и подсоединен к приводу снаружи крышки. С внутренней стороны крышки к приводу через соединительную муфту подсоединен шток с перемешивающими лопастями, причем шток с лопастями отделяется от привода при превышении усилия на приводе в 2 раза по сравнению с начальным усилием. Шток с лопастями после перемешивания остается в емкости, а электродвигатель отсоединяется и используется на следующей емкости.
Осуществление заявленных способа и устройства.
Тритий имеет период полураспада (12,32 ± 0,02) года. Реакция распада трития имеет следующий вид:
При этом выделяется 18,59 кэВ энергии, из них на электрон (бета-частицу) приходится в среднем 5,7 кэВ, а на электронное антинейтрино — оставшаяся часть. Образовавшиеся бета-частицы распространяются в воздухе всего на 6,0 мм и не могут преодолеть даже верхний слой кожи человека.
В силу малой энергии распада трития (см. источники информации [1, 2, 3, 4]), испускаемые электроны хорошо задерживаются даже простейшими преградами типа одежды или резиновых хирургических перчаток. Тем не менее, этот изотоп считается одним из самых радиотоксичных и представляет радиационную опасность при вдыхании, поглощении с пищей, впитывании через кожу.
Тритиевая вода (сверхтяжёлая вода) (см. источник информации [6]) — вода, в молекулах которой атомы протия (лёгкого водорода) замещены атомами трития (тяжёлого радиоактивного изотопа водорода). В чистой форме называется оксидом трития (T2O или 3H2O) или супертяжёлой водой. Из-за собственной радиоактивности чистый T2O имеет высокую коррозионную активность — при спонтанном бета-распаде трития в 3He происходит выделение атомарного кислорода. Кроме того, из-за собственной радиоактивности происходит радиолиз воды с выделением трития и кислорода. Удельная объёмная активность тяжёлой воды составляет 2650 Ки/мл, поэтому она не может быть получена в больших количествах в неразбавленном виде. Тритиевая вода, участвуя в метаболизме почти одинаковым образом с обычной водой, обладает высокой радиотоксичностью
Критериями оценки качества иммобилизации жидких тритийсодержащих радиоактивных отходов путем их отверждения являются надёжность закрепления молекул содержащей тритий воды в матрице отвердителя и количество содержащей тритий воды в создаваемом компаунде. Чем выше энергия химической связи между молекулами содержащей тритий воды и отвердителя, тем надёжней иммобилизация жидких содержащих тритий радиоактивных отходов и тем выше экологическая безопасность при длительном их хранении. Чем выше содержание тритиевой воды в создаваемом компаунде, тем эффективней иммобилизация жидких содержащих тритий радиоактивных отходов. Итак, устойчивость компаунда и содержание в нём жидких содержащих тритий радиоактивных отходов - главные критерии эффективности иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов.
Отверждение содержащей тритий воды обеспечивает повышение экологической безопасности при длительном хранении жидких содержащих тритий радиоактивных отходов. Прочность (энергия) химической связи между молекулами содержащей тритий воды и отвердителя – при прочих равных условиях – оценивается прочностью получаемого компаунда.
Варианты использования различных кристаллогидратов солей металлов для целей иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов.
Кристаллогидрат железного купороса FeSO4·7Н2О имеет общую молярную массу 278,01756 (г/моль) при молярной массе FeSO4-151,9106 (г/моль), кристаллогидрат медного купороса CuSO4·5H2O имеет общую молярную массу 249,686 (г/моль) при молярной массе CuSO4-159,6096 (г/моль), а кристаллогидрат цинкового купороса ZnSO4·7H2O имеет общую молярную массу 287,56056 (г/моль) при молярной массе ZnSO4 -161,4536 (г/моль). Таким образом, доля воды в молекулах кристаллогидратов железного, медного и цинкового купоросов составит 45% , 36% и 44%.
Кристаллогидрат фосфата натрия Na3PO4·12Н2О имеет общую молярную массу 380,12376 (г/моль) при молярной массе Na3PO4-163,9404 (г/моль), доля воды в его молекулах составляет 57%. Таким образом, возникает возможность заполнения получаемого в конце процесса компаунда тритиевой водой более чем на 50%. Учитывая высокую слёживаемость кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О, образование при длительном хранении соляного камня, использование данного кристаллогидрата в процессе иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов представляется весьма целесообразным. При слёживании объём кристаллогидрата фосфата натрия, содержащего до 57% тритиевой воды будет существенно сокращаться (до 50-60% от первоначального).
Сравнительная оценка энергии связей молекул воды в различных кристаллогидратах по температуре полной дегидратации кристаллогидрата соли металла.
Для кристаллогидрата железного купороса FeSO4·7Н2О эта температура составила 2500C, для кристаллогидрата медного купороса CuSO4·5H2O - 2200C (см. источник информации [7]), для кристаллогидрата цинкового купороса ZnSO4·7H2O - 2380C, для кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О - 4000C. Таким образом, прочность (энергия) химической связи между молекулами содержащей тритий воды и отвердителя существенно выше у кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О. Растворимость фосфата натрия в воде 14,4 г/100 г при температуре 25°C (см. http://chemiday.com/ru/encyclopedia/na3po4).
Особый интерес среди фосфатов для процесса иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов представляет очень плохо растворимый в воде кристаллогидрат фосфата марганца Mn3(PO4)2·7Н2О. Молярная масса фосфата марганца составляет 354,76 г/моль, кристаллогидрата фосфата марганца Mn3(PO4)2·7Н2О - 480,76 г/моль. Кристаллогидрат Mn3(PO4)2·7Н2О при нагревании ступенчато разлагается:
При этом Mn3(PO4)2 может быть получен при нагревании Mn3(PO4)2·7Н2О до 7000C, что говорит о высокой энергия химической связи между молекулами содержащей тритий воды и отвердителя при иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов.
Таким образом, слаборастворимые фосфатные кристаллогидраты (например, Na3PO4·12Н2О и Mn3(PO4)2·7Н2О) наиболее удачны для целей иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов.
Указанные технические результаты обеспечиваются за счет:
- гидратации слаборастворимых фосфатных кристаллогидратов путем засыпания предварительно обезвоженного кристаллогидрата в емкость с жидкими радиоактивными отходами, содержащими тритий, и постоянного перемешивание в течение первых 5-7 минут;
- выбора количества обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата из расчета устойчивого состояния при обводнении
где
18 – молярная масса молекулы воды;
N – количество молекул воды, устойчиво удерживаемое одной молекулой соли кристаллогидрата;
- заполнения, после кристаллизации, слёживания кристаллогидрата и выделения на его поверхности не связанных органических соединений, пространства до верхней крышки емкости прочной минерально-солевой композицией, например, на основе магнезиального вяжущего;
- встраивания перемешивающих лопастей в верхнюю крышку, выведения привода через сальник на верхнюю сторону крышки, монтажа съемного электродвигателя на верхней стороне крышки, отсоединения штока с лопастями (после использования) от привода и оставление их в емкости, съёма электродвигателя и использование на следующей емкости.
Повышение экологической безопасности при длительном хранении жидких содержащих тритий радиоактивных отходов обеспечивается за счёт более высокой энергии химической связи, между молекулами содержащей тритий воды и отвердителя, и низкой растворимости выбранных кристаллогидратов.
Сокращение объёма вторичных радиоактивных отходов обеспечивается за счёт значительного увеличения количества содержащей тритий воды в создаваемом компаунде.
Исключение контакта вторичных радиоактивных отходов с окружающей средой обеспечивается за счёт создания «пробки», создаваемой путём заполнения пространства до верхней крышки емкости прочной минерально-солевой композицией на основе магнезиального вяжущего.
Высокий коэффициент заполнения получаемого компаунда тритиевой водой обеспечивается за счёт высокого содержания кристаллизационной воды в выбранных кристаллогидратах.
Существенное снижение радиационных рисков для персонала, обеспечивается за счет того, что радиоактивные вещества не покидают емкости, где они уже находятся, и весь процесс отверждения кристаллогидрата происходит непосредственно в емкости без участия персонала. Кроме того, лопасти, с помощью которых осуществлялось перемешивание кристаллогидрата и отходов, остаются в емкости. В автоматическом режиме процесс перемешивания прекращается в момент, когда усилия на приводе превысят в 2 раза начальные усилия, которые были на приводе во время запуска устройства. Этот момент характеризует существенную стадию гидратации. Таким образом, лопасти являются одноразовым расходным оборудованием, с которым не предусмотрены никакие операции с участием человека после использования.
Устройство для иммобилизации загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов поясняется графическими материалами (см. фиг 1).
Заявленное устройство содержит емкость 1, верхнюю герметичную крышку 2, воронку 3 для засыпания в емкость обезвоженного слаборастворимого кристаллогидрата. В крышке 2 выполнено отверстие с клапаном 4, в которое вставляется воронка 3. Привод 6 съемного электродвигателя 5 встроен в крышку 2 емкости 1 через сальник 7. Привод 6 и съемный электродвигатель 5 расположены снаружи крышки 2. С внутренней стороны крышки 2 внутри полости емкости 1 к приводу 6 через соединительную муфту 8 подсоединен шток с перемешивающими лопастями 9.
Заявленный способ предназначен для применения в емкостях, используемых для хранения загрязненных радиоактивными солями и органикой содержащих тритий жидких радиоактивных отходов. Для применения способа нам следует знать требуемое для иммобилизации количество обезвоженного кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О или марганца Mn3(PO4)2·7Н2О при известной массе (или объёме) и плотности содержащих тритий жидких радиоактивных отходов. Это количество обезвоженного кристаллогидрата определяется по формуле (1).
При образовании новых кристаллогидратов из суспензии, которую представляет собой смесь загрязненных радиоактивными солями и органикой содержащих тритий жидких радиоактивных отходов, с солями происходит фазовый переход – вместо суспензии образуется порошок, а затем камень.
Заявляемое устройство основано на простом и очевидном эффекте – резком повышении сопротивления вращательному движению лопастей 9 при образовании новых кристаллогидратов. Соединительная муфта 8 рассчитана на то, что при достижении двукратного увеличения сопротивления вращению в твердеющем кристаллогидрате по сравнению с начальным, шток с лопастями 9 автоматически отсоединяется. Так как, лопасти 9 являются одноразовыми, то выбор материала, из которого они изготавливаются – его прочность, долговечность, износостойкость, коррозионная устойчивость и т.д. – можно существенно минимизировать. Поэтому, отделив лопасти 9 от привода 6 и оставив их в ёмкости 1, закрытой крышкой 2, мы практически не увеличиваем стоимость процесса.
Примеры осуществления заявленного способа.
Пример 1. В ёмкости 1 содержится 1 тонна загрязненных радиоактивными солями и органикой содержащих тритий жидких радиоактивных отходов плотностью 1,08г/см3. Иммобилизуем эти отходы по заявленному способу с использованием кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О, который имеет общую молярную массу 380,12376 (г/моль) при молярной массе Na3PO4 -163,9404(г/моль). Количество обезвоженного кристаллогидрата выбираем из расчета устойчивого состояния при обводнении по формуле (1). Объём отходов составит 0,926м3. Отношение молекулярных масс соли Na3PO4 и кристаллизационной воды 12Н2О - 0,755. Таким образом, требуемое количество обезвоженного кристаллогидрата Na3PO4 составит 699 кг. Для получения 699 кг обезвоженного кристаллогидрата Na3PO4 нам потребуется 699*380,12376/163,9404=1620 кг кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О. Рассчитанные 1620 кг кристаллогидрата фосфата натрия Na3PO4·12Н2О подвергаем обезвоживанию, получаем Na3PO4. Перемешивающие лопасти 9 встраиваем в верхнюю герметичную крышку 2, привод 6 через сальник 7 выводим на верхнюю сторону крышки 2, на которой монтируем съемный электродвигатель 5. Полученную соль засыпаем через воронку 3 в ёмкость 1 с отходами, после чего воронка 3 извлекается. Отверстие в крышке 2 закрывается клапаном 4. Смесь в емкости 1 постоянно перемешивается до образования нового кристаллогидрата (5-7 минут). Образование новых кристаллов приводит к увеличению сопротивления вращению лопастей и, когда это усилие вдвое превышает начальное, шток с лопастями 9 (после использования) отсоединяется от привода 6 и остается в емкости 1. Электродвигатель 5 снимается и устанавливается на следующую емкость. Через 12-30 часов (в основном), завершится процесс гидратации кристаллогидрата и выделения на его поверхности не связанных солей и органики. После этого персонал открывает крышку 2 и заполняет пространство от лежалого камня до верхней крышки прочной минеральной композицией, например, на основе магнезиального вяжущего (например, в соответствии с патентом РФ № 2214011).
Пример 2. В ёмкости 1 содержится 1 тонна загрязненных радиоактивными солями и органикой содержащих тритий жидких радиоактивных отходов плотностью 1,08г/см3. Иммобилизуем эти отходы по заявленному способу с использованием кристаллогидрата фосфата марганца Mn3(PO4)2·7Н2О. Молярная масса фосфата марганца составляет 354,76 г/моль, кристаллогидрата фосфата марганца Mn3(PO4)2·7Н2О - 480,76 г/моль. Количество обезвоженного кристаллогидрата выбираем из расчета устойчивого состояния при обводнении по формуле (1). Объём отходов составит 0,926м3. Отношение молекулярных масс соли Mn3(PO4)2 и кристаллизационной воды 12Н2О -1,54. Таким образом, требуемое количество обезвоженного кристаллогидрата Mn3(PO4)2 составит 1,426 т. Для получения этого количества обезвоженного кристаллогидрата фосфата марганца нам потребуется 1.426*480,76/354,76 =1,93 т кристаллогидрата фосфата марганца Mn3(PO4)2·7Н2О. Рассчитанное количество кристаллогидрата фосфата марганца подвергаем обезвоживанию, получаем Mn3(PO4)2. Перемешивающие лопасти 9 встраиваем в крышку 2, привод 6 через сальник 7 выводим на верхнюю сторону крышки 2, на которой монтируем съемный электродвигатель 5. Полученная соль через воронку 3 засыпается в емкость 1 с отходами и постоянно перемешивается до образования нового кристаллогидрата (5-7 минут) после чего воронка 3 извлекается. Отверстие в крышке 2 закрывается клапаном 4. Образование новых кристаллов приводит к увеличению сопротивления вращению лопастей и, когда это усилие вдвое превышает начальное, шток с лопастями 9 (после использования) отсоединяется от привода 6 и остается в емкости 1. Электродвигатель 5 снимается и устанавливается на следующую емкость. Через 12-30 часов (в основном), завершится процесс гидратации кристаллогидрата и выделения на его поверхности не связанных солей и органики. После этого персонал открывает крышку 2 и заполняет пространство от лежалого камня до верхней крышки прочной минеральной композицией, например, на основе магнезиального вяжущего (например, в соответствии с патентом РФ № 2214011).
Литература
1. Эванс Э. Тритий и его соединения. М., «Атомиздат», 1970.
2. Ленский Л.А. Физика и химия трития. М., «Атомиздат», 1981.
3. Беловодский Л.Ф., Гаевой В.К., Гришмановский В.И. Тритий. М., «Атомиздат», 1985.
4. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М., «Атомиздат», 1987.
5. Леенсон И.А. 100 вопросов и ответов по химии. М., АСТ–Астрель, 2002.
6. Большой медицинский словарь, 2000, http://dic.academic.ru/
7. Васильев З.Г. Лабораторный практикум по общей химии Издание 2.
8. Мирмусаева. К.С. Технология производства ортофосфатов натрия на основе экстракционной фосфорной кислоты из фосфоритов Центральных Кызылкумов.- Автореферат диссертации на соискание звания кандидата технических наук. Ташкент, 2011.
9. Большая Энциклопедия Нефти Газа http://www.ngpedia.ru/id659260p1.html
Claims (11)
1. Способ иммобилизации находящихся в емкостях загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов, включающий их отверждение в солевой кристаллической матрице, которая затем иммобилизуется в прочной минеральной матрице, отличающийся тем, что отверждение отходов осуществляют с помощью гидратации слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата путем засыпания предварительно обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата в емкость с отходами и перемешивания для образования новых кристаллогидратов, при этом количество засыпаемого обезвоженного слаборастворимого фосфатного кристаллогидрата 
выбирают из расчета устойчивого состояния при обводнении
где
18 – молярная масса молекулы воды;
N – количество молекул воды, устойчиво удерживаемое одной молекулой соли кристаллогидрата,
после кристаллизации, слёживания кристаллогидрата и выделения на его поверхности не связанных органических соединений, для образования прочной минеральной матрицы, пространство до верхней герметичной крышки емкости заполняют прочной минеральной композицией.
2. Способ иммобилизации находящихся в емкостях загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов по п. 1, отличающийся тем, что минеральная композиция представляет собой композицию на основе магнезиального вяжущего.
3. Устройство для иммобилизации загрязненных радиоактивными солями и органикой тритийсодержащих жидких радиоактивных отходов, содержащее емкость, верхнюю герметичную крышку, шток с перемешивающими лопастями, привод и электродвигатель, отличающееся тем, что привод встроен в верхнюю герметичную крышку емкости через сальник, электродвигатель выполнен съемным и подсоединен к приводу снаружи крышки, с внутренней стороны крышки к приводу через соединительную муфту подсоединен шток с перемешивающими лопастями, причем шток с лопастями отделяется от привода при превышении усилия на приводе в 2 раза по сравнению с начальным усилием.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017119832A RU2652084C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления |
| PCT/RU2018/000301 WO2019078758A2 (ru) | 2017-06-07 | 2018-05-11 | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017119832A RU2652084C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2652084C1 true RU2652084C1 (ru) | 2018-04-25 |
Family
ID=62045829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017119832A RU2652084C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2652084C1 (ru) |
| WO (1) | WO2019078758A2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2727711C1 (ru) * | 2019-12-25 | 2020-07-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ кондиционирования тритийсодержащей воды |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4196169A (en) * | 1974-06-27 | 1980-04-01 | Nuclear Engineering Company, Inc. | System for disposing of radioactive waste |
| US5550310A (en) * | 1990-04-18 | 1996-08-27 | Stir-Melter, Inc. | Method for waste for vitrification |
| RU2380144C1 (ru) * | 2008-05-06 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ очистки воды от трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом |
| RU2518501C2 (ru) * | 2012-02-27 | 2014-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Радиевый институт имени В.Г. Хлопина" | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов |
| RU2592078C1 (ru) * | 2015-07-20 | 2016-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТВЭЛЛ" | Способ иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1447173A1 (ru) * | 1987-04-13 | 1990-10-15 | Предприятие П/Я Р-6710 | Компаунд дл иммобилизации жидких тритийсодержащих радиоактивных отходов |
| RU2374706C1 (ru) * | 2008-04-14 | 2009-11-27 | Закрытое Акционерное Общество "Альянс-Гамма" | Установка для цементирования жидких радиоактивных отходов |
-
2017
- 2017-06-07 RU RU2017119832A patent/RU2652084C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2018
- 2018-05-11 WO PCT/RU2018/000301 patent/WO2019078758A2/ru unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4196169A (en) * | 1974-06-27 | 1980-04-01 | Nuclear Engineering Company, Inc. | System for disposing of radioactive waste |
| US5550310A (en) * | 1990-04-18 | 1996-08-27 | Stir-Melter, Inc. | Method for waste for vitrification |
| RU2380144C1 (ru) * | 2008-05-06 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Способ очистки воды от трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом |
| RU2518501C2 (ru) * | 2012-02-27 | 2014-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Радиевый институт имени В.Г. Хлопина" | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов |
| RU2592078C1 (ru) * | 2015-07-20 | 2016-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТВЭЛЛ" | Способ иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2727711C1 (ru) * | 2019-12-25 | 2020-07-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ кондиционирования тритийсодержащей воды |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019078758A2 (ru) | 2019-04-25 |
| WO2019078758A3 (ru) | 2019-07-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Koťátková et al. | Concrete and cement composites used for radioactive waste deposition | |
| Merceille et al. | The sorption behaviour of synthetic sodium nonatitanate and zeolite A for removing radioactive strontium from aqueous wastes | |
| Osmanlioglu | Treatment of radioactive liquid waste by sorption on natural zeolite in Turkey | |
| Mertz et al. | Selective Removal of Cs+, Sr2+, and Ni2+ by K2 x Mg x Sn3–x S6 (x= 0.5–1)(KMS-2) relevant to nuclear waste remediation | |
| RU2592078C1 (ru) | Способ иммобилизации жидких содержащих тритий радиоактивных отходов | |
| KR910005930B1 (ko) | 붕산 슬러리의 캡슐화 방법 | |
| Kononenko et al. | Immobilization of NPP evaporator bottom high salt-bearing liquid radioactive waste into struvite-based phosphate matrices | |
| Mulyutin et al. | Sorption of Cs, Sr, U, and Pu radionuclides on natural and modified clays | |
| RU2652084C1 (ru) | Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, содержащих тритий и загрязненных радиоактивными солями и органикой, и устройство для его осуществления | |
| Kimura et al. | Vitrification processes of simulated cesium sorbing zeolite waste | |
| RU2381580C1 (ru) | Способ стабилизации жидких высокосолевых высокоактивных отходов | |
| Grambow et al. | State of Fukushima nuclear fuel debris tracked by Cs137 in cooling water | |
| US4537710A (en) | Method of storing radioactive wastes using modified tobermorite | |
| Mishra et al. | Ion-exchangers in radioactive waste management Part XIV: Removal behavior of hydrous titanium oxide and sodium titanate for Cs (I) | |
| Vinokurov et al. | Hydrolytic and thermal stability of magnesium potassium phosphate compound for immobilization of high level waste | |
| RU2627690C1 (ru) | Способ кондиционирования воды, содержащей тритий | |
| RU2342721C1 (ru) | Способ переработки жидких радиоактивных отходов атомных электрических станций (варианты) | |
| RU2727711C1 (ru) | Способ кондиционирования тритийсодержащей воды | |
| Matsuzuru et al. | Immobilization of cesium-137 in cement-waste composites by addition of mineral zeolites | |
| Kononenko et al. | Incorporation of bottoms from nuclear power plants into a matrix based on portland cement and silicic additives | |
| Cho et al. | Effect of particle size on cesium exchange kinetics by K-depleted phlogopite | |
| Muratov | Magnesium immobilization matrices for LRW of a complex chemical composition | |
| Kim et al. | Cesium Removal from Nonexpandable Illite Clay by Chloride Salt Treatment | |
| Sayenko et al. | Experimental study on radioactive waste immobilization in low-temperature magnesium-potassium phosphate ceramic matrix | |
| RU2720463C1 (ru) | Наномодифицированный магнезиальный цемент |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190608 |